鎳基單晶高溫合金塑性變形行為及其微觀機理研究.pdf

1、由于具有獨特的兩相微結(jié)構(gòu)，鎳基單晶高溫合金在高溫下顯示出優(yōu)異的力學(xué)性能，因而被廣泛應(yīng)用于航空航天、燃?xì)廨啓C發(fā)電等要求材料在高溫下具有高強度及良好抗蠕變性能的重要領(lǐng)域。研究鎳基高溫合金的力學(xué)行為及其細(xì)觀機理，建立其宏觀變形行為與細(xì)觀變形機制之間的跨尺度關(guān)聯(lián)，是建立基于細(xì)觀物理機制塑性本構(gòu)理論的重要基礎(chǔ)，因此具有重要的理論意義和潛在的工程應(yīng)用價值。
　　為了在細(xì)觀尺度上揭示鎳基單晶高溫合金塑性行為的內(nèi)在物理機制，針對其獨特的兩相微結(jié)構(gòu)

2、和復(fù)雜的位錯動力學(xué)機制，本文擴展了已有的三維離散位錯動力學(xué)（3D-DDD）基本框架，并發(fā)展了相應(yīng)的算法和計算程序。通過計算模擬并同已有實驗結(jié)果的對比，驗證了本文模型和算法的合理性，并深入研究了鎳基單晶高溫合金塑性及蠕變行為背后復(fù)雜的三維離散位錯動力學(xué)機制。本文的主要創(chuàng)新性研究工作有：
　?。?）考慮到鎳基單晶高溫合金中基體相（γ相）中位錯進入并切割沉淀相（γ'相）時有“反相疇界（APB）分解”及“超晶內(nèi)稟堆垛層錯（SISF）分解”

3、兩種方式，并且高溫下前者占優(yōu)而低溫下后者占優(yōu)，為了模擬更寬溫度范圍內(nèi)鎳基單晶高溫合金中基體相（γ相）位錯進入并切割沉淀相（γ'相）的過程及其物理機制，本文基于一個描述 APB分解機制向 SISF分解機制轉(zhuǎn)化的能量準(zhǔn)則，發(fā)展了相應(yīng)的三維離散位錯動力學(xué)（3D-DDD）算法。計算模擬結(jié)果表明，本文擴展提出的3D-DDD模型及其算法不僅能夠成功地模擬鎳基單晶高溫合金中基體相位錯切割沉淀相時在一定條件下由 APB分解機制向 SISF分解機制的轉(zhuǎn)化

4、，而且能更合理地預(yù)測鎳基單晶高溫合金在不同溫度（如293K和873K）下的應(yīng)力-應(yīng)變響應(yīng)。
　?。?）由于獨特的兩相微結(jié)構(gòu)，鎳基單晶高溫合金表現(xiàn)出一系列反常的力學(xué)行為，例如，其屈服強度在低中溫區(qū)隨溫度的升高不降反升以及拉-壓強度不對稱等。為了模擬鎳基高溫合金的一系列反常力學(xué)性能，基于描述沉淀相中螺型位錯交滑移的概率模型、Kear-Wilsdolf（K-W）鎖模型、K-W鎖解鎖與立方滑移系開動相互競爭模型，本文發(fā)展了相應(yīng)的三維離散位

5、錯動力學(xué)模型及其算法。一系列的計算模擬表明：本文模型及算法不僅能合理地模擬鎳基單晶高溫合金“屈服強度隨溫度升高反常上升”以及“拉-壓不對稱”等反常行為，還能模擬在高溫區(qū)其屈服強度“隨溫度升高正常降低”行為。此外，通過對鎳基單晶高溫合金循環(huán)塑性變形行為的計算模擬，結(jié)果表明：γ'沉淀相中的K-W鎖機制與鎳基高溫合金的包辛格效應(yīng)及循環(huán)軟化行為有著緊密聯(lián)系。
　?。?）除基體位錯切割γ'沉淀相外，基體位錯沿γ基體/γ'沉淀相界面的攀移也是

6、鎳基單晶高溫合金容納塑性和蠕變變形的重要機制。為了揭示鎳基單晶高溫合金在高溫下的初期蠕變及塑性行為的位錯動力學(xué)機制，基于空位擴散理論的位錯攀移模型，本文擴展了現(xiàn)有三維離散位錯動力學(xué)方法，發(fā)展了能夠同時模擬位錯攀移和滑移的三維離散位錯動力學(xué)耦合模型和算法。在此基礎(chǔ)上，詳細(xì)研究了：①位錯攀移速度影響因素（如溫度、外加應(yīng)力和空位過飽和濃度）和高溫合金的兩相微結(jié)構(gòu)尺寸（如沉淀相大小、基體相寬度）等對鎳基單晶高溫合金初期蠕變行為的影響；②位錯攀移